Photorécepteurs - Préparation à l`Agrégation de Physique

Préparation à l’agrégation de Sciences-Physiques ENS Physique
Photorécepteurs
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CHATELAIN : Dispositifs à semi-conducteurs, Chap. 9
GUILLIEN : Électronique, tome 3
BESSON : Technologie des composants électroniques, tome 2, Chap. 13
HANDBOOK of OPTICS : Chapitre 4
SEXTANT : Optique expérimentale, Chapitre 2
BUP 762, p 471
BOTTINEAU : Expériences d’optique
1
I)
Introduction
On se limite ici aux récepteurs photoélectriques (lumière → signal électrique) de type détecteurs (c’est-à-dire qui permettent de faire une mesure)1 . D’autres récepteurs existent, par
exemple de type photothermique (chauffage solaire). On peut classer les détecteurs usuels suivant leur principe de fonctionnement.
1)
Détecteurs quantiques
Chaque photon crée un porteur de charge (avec une probabilité η, l’efficacité quantique)
qui participe à la réponse électrique. Tous ces récepteurs présentent un net effet de seuil en
longueur d’onde.
a)
Les photons arrachent les électrons à une photocathode
– cellule photoélectrique à vide : intéressante dans le principe, elle n’est plus utilisée actuellement. Elle servait autrefois à l’agrégation à la mesure de e/h.
– tube photomultiplicateur : surtout intéressant pour sa grande sensibilité (§ III).
b)
Les photons créent des porteurs mobiles
Soit dans un semi-conducteur homogène – la photorésistance par exemple – soit à la jonction
entre deux matériaux semi-conducteurs – c’est le cas des photodiodes, des phototransistors, des
photopiles et des composants CCD.
– photorésistance : détecteur très sensible mais peu linéaire et peu rapide (cf. TP Semiconducteurs) ;
– photodiode et phototransistor : en usage courant, c’est le détecteur le plus utilisé (§ II) ;
– photopile : composant de grande surface qui sert à obtenir de l’énergie électrique (§ IV) ;
– C.C.D. : c’est le composant de base des caméras vidéo. On dispose ici de plusieurs barrettes (à 1D) C.C.D. (C harge C oupled Device) de haute résolution, dont une reliée au
logiciel Caliens qu’on utilisera dans certaines expériences d’optique (fentes d’Young, diffraction. . .), et une plus (( basique )) qui servira à illustrer le principe de fonctionnement
de ces dispositifs (§ V). On pourra aussi utiliser des matrices (à 2D) qui sont à la base
des caméra vidéo et des (( webcams )).
2)
Détecteurs thermiques
On mesure l’échauffement dû à l’absorption de l’énergie du rayonnement. La sensibilité de
ces détecteurs est faible mais indépendante de la longueur d’onde.
Les détecteurs thermiques disponibles ici sont :
– thermopile : l’échauffement est mesuré par des thermocouples (cf. TP Thermométrie) ;
– capteur pyroélectrique : l’effet pyroélectrique est l’apparition d’une tension entre les faces
d’un cristal portées à des températures différentes.
1
Sauf dans l’expérience sur la cellule solaire (§ V).
24 juillet 2015 Préparation à l’agrégation Ens–Montrouge
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2
Il n’est pas possible d’étudier ici les propriétés (sensibilité, réponse spectrale, rapidité. . .) de
chaque détecteur. On a donc choisi les propriétés les plus caractéristiques de certains d’entre
eux.
II)
Photodiode (détecteur le plus couramment utilisé)
La lumière crée des porteurs dans une jonction p-n et augmente le courant inverse dû aux
porteurs minoritaires. Pour un fonctionnement en régime linéaire, une photodiode doit être
utilisée avec une polarisation inverse externe (voir plus bas). Nous disposons de photodiodes au
silicium (gap indirect à 1,14 eV correspondant à 1, 1µm ; modèles BPX 61 et BPW 34) dont le
maximum de sensibilité est dans l’infrarouge proche (∼ 0, 85µm)2 .
1)
Caractéristique courant – tension
On l’obtient à l’oscilloscope grâce au montage suivant (la résistance sert à la fois à mesurer
et à limiter le courant) :
Régler le décalage et le niveau du GBF pour explorer la caractéristique. En l’absence d’éclairement on a la caractéristique usuelle d’une diode (le courant pour des tensions très négatives est
alors appelé courant d’obscurité). Observer sa modification quand on augmente le flux lumineux
Φ (en Watts).
On passe d’une caractéristique à l’autre par un décalage vertical proportionnel au flux :
I = kΦ.
Note : idéalement il faudrait un oscilloscope différentiel pour avoir la tension aux bornes de
la diode, sinon la résistance qui sert à mesurer le courant introduit une erreur sur cette tension.
2
Le phototransistor est une photodiode avec amplification interne de courant. Il est peu linéaire. Il ne sera
pas étudié ici.
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3
L’erreur est cependant sans importance dans la zone où les caractéristiques sont horizontales,
l’effet étant dans ce cas un décalage horizontal.
2)
a)
Utilisation de la photodiode en détecteur de lumière linéaire
Photodiode non polarisée (ne pas réaliser ce montage)
C’est le montage le plus simple auquel on pourrait penser.
Déduire de la caractéristique que le fonctionnement n’est linéaire que sur une faible plage
d’éclairement. En pratique ce montage n’est utilisé que pour effectuer des mesures de très
faibles flux, car le courant d’obscurité (∼ nA) y joue un rôle plus faible que dans le montage
avec polarisation inverse.
b)
Photodiode polarisée en inverse (montage à utiliser par la suite ; très important)
Attention : On utilise dorénavant une alimentation continue, et non plus le GBF utilisé
précédemment, puisqu’il ne s’agit plus de tracer la caractéristique !
Comprendre pourquoi le fonctionnement est cette fois-ci linéaire : VR est proportionnelle au
flux lumineux. Dans ce cas la photodiode peut être modélisée par un générateur de courant.
Afin de travailler dans une zone de fonctionnement linéaire, on contrôlera
toujours que la tension aux bornes de la résistance est inférieure à la tension
d’alimentation.
On travaille en général avec une tension de polarisation de quelques Volts (attention à ne
pas dépasser la tension inverse maximale spécifiée par le fabricant !). Comment faut-il choisir
la résistance R ? Se convaincre qu’en choisissant R petit, on améliore la ”gamme de linéarité”
de la photodiode. Quel problème rencontre-t-on si R est trop faible ?
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4
En pratique, en choisissant R ≃ E/Imax , on obtient à la fois un comportement linéaire et
des signaux forts.
3)
Vérification de la linéarité
Pour ces expériences, éviter d’utiliser un laser, même polarisé et branché depuis longtemps,
car il présente souvent des fluctuations lentes importantes. Et de toutes les manières, ne pas
prendre de laser non polarisé suivi d’un polariseur (Cf. Sextant p.268). Utiliser des DELs haute
luminosité ayant atteint leur équilibre thermique, ce qui prend plusieurs minutes après leur
branchement. Voir la section 6 pour leur branchement. Au cours de l’expérience ne pas les
éteindre mais masquer leur faisceau au moyen d’un petit écran noir.
a)
Rapide
En utilisant 2 DELs, montrer qu’il y a additivité des réponses en courant I :
I(Φ1 ) + I(Φ2 ) = I(Φ1 + Φ2 )
Contrôler que le courant d’obscurité est négligeable (ou en tenir compte).
b)
Complète
Opérer avec des filtres gris. On rappelle que la densité d’un filtre est :
D = log
Φincident
Φtransmis
On dispose de filtres gris en verre de densité 1 à 4.
– Ces filtres ayant une absorption beaucoup plus faible que prévu dans le proche infrarouge,
ce qui coı̈ncide avec le maximum de sensibilité de la photodiode, ne pas utiliser de source
de lumière blanche.
– La précision des filtres est environ 0,1 en densité, soit 100,1 = 26% en transmission.
Cette imprécision empêche de faire un contrôle direct de la linéarité. Procéder de la
façon suivante en présence du faisceau lumineux (vérifier à chaque fois que le signal est
négligeable lorsqu’on masque la source, sinon le retrancher) :
– mesurer I(0), signal en absence de filtre (ne pas le confondre avec le courant d’obscurité) ;
– mesurer I(D1 ), I(D2 ) et I(D1 + D2 ).
Si le comportement est linéaire on doit avoir I(0) = kΦ , I(D1 ) = kΦ × 10−D1 , . . . d’où
I(D1 + D2 )
I(D1 ) I(D2 )
=
,
I(0)
I(0) I(0)
où D1 et D2 n’ont pas besoin d’être connus a priori.
Si c’est le cas on peut en déduire :
– que le système de détection est linéaire3 ,
1)
.
– une mesure précise des densités D1 et D2 : D1 = − log I(D
I(0)
On peut opérer avec des filtres de densités très différentes (D1 ≈ 1 et D2 ≈ 4 par exemple)
et vérifier ainsi rapidement la linéarité sur 5 décades (grande dynamique).
3
Il faudrait en toute rigueur le vérifier pour tout couple (D1 , D2 ).
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4)
Détermination de la sensibilité et du rendement quantique de la
photodiode
Mesurer la puissance d’un laser He-Ne grâce :
– au détecteur pyroélectrique 4 : il nécessite une modulation d’intensité lumineuse à l’aide
d’un hacheur optique ; la tension délivrée est alors proportionnelle à la variation de température de la surface sensible entre les phases faisceau coupé/faisceau passant. Sa sensibilité
est étalonnée pour différentes valeurs de la fréquence de modulation (voir sa notice). Mesurer la tension crête-crête à l’oscilloscope.
Attention : bien que le détecteur soit protégé par une fenêtre en quartz, il est essentiel
de le placer assez loin du hacheur optique, qui fait ventilateur, et de se déplacer le moins
possible dans la pièce ;
– au puissance-mètre optique (N.139), outil beaucoup plus adapté aux lasers que le détecteur
pyroélectrique. Il s’agit en fait d’une photodiode calibrée. Lire sa notice !
En déduire la sensibilité de la photodiode dans le rouge (en A · W−1 ) et son rendement
quantique (en électron par photon). Comparer aux valeurs annoncées par le constructeur.
5)
Sensibilité spectrale
La réponse spectrale des photodiodes n’est pas plate. La connaissance de cette réponse est
essentielle pour toute expérience de type spectroscopie, où la photodiode sert à mesurer des
flux lumineux à différentes longueurs d’onde.
a)
Expérience rapide illustrant la sensibilité dans l’IR
Prendre comme source une lampe QI avec condenseur. Comme toute lampe à incandescence,
elle émet beaucoup d’IR et très peu d’UV. Attention le faisceau peut être destructeur : ne pas
le focaliser sur la matière.
Interpréter le signal donné par la photodiode lorsque l’on place entre elle et la source deux
polariseurs soigneusement croisés. Pour confirmation ajouter ensuite un filtre anti-thermique.
Cette expérience illustre également les défauts des polaroı̈ds dans l’infrarouge.
b)
Étude complète de la sensibilité spectrale (ne pas y passer trop de temps)
On utilise le monochromateur avec son illuminateur. Choisir des fentes d’entrée et sortie
larges (2,5 mm, la résolution en fonction de la largeur des fentes est indiquée sur l’appareil)5 .
On étudie tout d’abord le spectre émis par le monochromateur au moyen d’un détecteur pyroélectrique dont la réponse spectrale est quasiment plate (cf. notice 539 et Sextant pour des
informations sur le principe de fonctionnement de cet appareil).6
4
Ne pas utiliser la thermopile pour cette expérience car sa sensibilité dépend beaucoup du point d’impact du
faisceau.
5
L’appareil étant symétrique, il faut des fentes de même largeur en entrée et sortie. C’est à cause de la
faible sensibilité du détecteur pyroélectrique qu’il faut prendre des fentes larges. D’ailleurs la résolution n’est
pas essentielle ici.
6
Ne pas utiliser la thermopile pour cette expérience, sa sensibilité est beaucoup trop faible.
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Le réseau utilisé étant ”blazé” dans l’ordre 1, on peut a priori continuer l’étude au delà
de 800 nm (jusqu’à environ 1000 nm) sans être trop gêné par l’ordre 2 de la partie bleue du
spectre7 .
On mesure alors avec un voltmètre RMS, pour quelques longueurs d’onde (par exemple
tous les 50 nm de 400 à 1000 nm), la valeur efficace de la tension alternative délivrée par le
pyroélectrique8 .
On remplace ensuite le détecteur pyroélectrique par la photodiode à étudier.
En déduire la fonction de réponse de la photodiode (rapport signal photodiode / signal
pyroélectrique) pour une douzaine de points. Comparer à la courbe du constructeur.
NB : on peut aussi balayer le spectre continûment en utilisant le moteur du monochromateur,
et utiliser l’ordinateur (programme Enregistreur dans Igor) pour enregistrer les courbes de
réponse, et faire leur rapport.
III)
Photoconductivité : création de porteurs par un
rayonnement lumineux
Lorsqu’on éclaire un échantillon de semiconducteur, l’absorption des photons d’énergie supérieure au gap génère des paires électron-trou. L’apparition de ces porteurs excédentaires
provoque l’augmentation de la conductivité du matériau. Lorsque l’éclairement s’interrompt,
les concentrations de porteurs retournent vers leur valeur à l’équilibre avec une constante de
temps caractéristique qui est le temps de vie des porteurs photocréés. Dans le domaine visible,
on utilise les photorésistances (ou cellules photoconductrices) au CdS.
1)
Mise en évidence de la photoconductivité
Comme on souhaite un signal donnant accès à la conductivité, proportionnelle à 1/RL , le
schéma le plus simple auquel on pourrait penser est celui de la figure du montage A ci-dessous :
La mesure de la tension aux bornes de la résistance R donne alors uR = ER/(R + RL ) ≃
ER/RL à condition que R ≪ RL . Or le domaine de variation des résistances des cellules
photoconductrices est important : de quelques MΩ pour la résistance d’obscurité à quelques
centaines d’Ohms pour les niveaux d’éclairement usuels. Cette approche pose donc un problème
de linéarité, d’autant qu’avec R petite, la précision de la mesure de uR est limitée. On propose
donc le schéma à A.O. de la figure du montage B. Ce montage permet d’imposer une d.d.p.
constante aux bornes de la cellule, et le courant I qui la traverse est alors proportionnel à la
conductance de la cellule Vs = RI = −ER/RL . Il n’y a cette fois pas de condition sur R et on
7
Si l’on veut l’éliminer, on peut utiliser un filtre passe haut en longueur d’onde (par exemple le filtre OG590).
Les mesures étant relatives, il est plus rapide d’évaluer la tension alternative efficace avec un voltmètre que
la tension crête-crête avec un oscilloscope. Faire toutes les mesures avec la même fréquence pour le hacheur.
8
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7
L
L
R
I
R
R
L
E
R
uR
Montage A
L
E
Vs
Montage B
choisira pour celle-ci une boı̂te AOIP × 1 kΩ. Attention néanmoins à la saturation possible de
l’A.O. On prendra pour E la partie négative (-12 V ou -15 V) d’une alimentation d’A.O.
Élargir un faisceau laser pour éclairer entièrement la photorésistance. Interposer des densités ou utiliser deux polariseurs pour faire varier l’intensité. On notera la non-linéarité du
photocourant par rapport à l’éclairement.
2)
Temps de réponse
Éclairer avec une DEL ultra-luminescente alimentée en signaux carrés dissymétriques (0,+E)
de façon à avoir un courant inférieur à 30 mA (E=10 V avec une résistance de 300 Ω). Faites
attention à ne pas griller la DEL.
Observer à l’oscillo le signal de sortie Vs . On obtient un temps de réponse de l’ordre de 10
ms. Il n’est pas ici nécessaire de mesurer précisément ce temps de réponse, car il dépend du
niveau d’éclairement.
Ce temps de réponse, très grand, n’est pas lié à un éventuel temps électrique RC comme
cela est parfois mentionné par certaines personnes. Il est directement relié au temps de vie des
électrons dans le composant photorésistance (voir Asch page 156). C’est d’ailleurs ce temps de
vie élevé des porteurs qui explique la grande sensibilité de la photorésistance.
3)
Réponse spectrale (facultatif )
Mettre la photorésistance derrière la fente de sortie du monochromateur. Déterminer à la
main (sans enregistrement) la longueur d’onde correspondant au maximum de photoconductivité. En déduire une valeur approchée du gap de CdS.
Interprétation de la courbe ”en cloche” observée :
– du côté des grands λ, le signal chute quand le cristal devient transparent (λ > λg , seuil
de l’absorption fondamentale) ;
– du côté des petits λ, le coefficient d’absorption devient très grand. La lumière est absorbée
en surface, où les porteurs photocréés ont une durée de vie trop faible pour contribuer
efficacement à la conduction.
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IV)
1)
Photomultiplicateur
Principe
La face avant du photomultiplicateur (PM) est constituée d’une photocathode qui émet
des électrons quand elle reçoit des photons (effet photoélectrique). A partir d’un électron reçu,
chaque dynode émet plusieurs électrons secondaires, d’où une amplification importante du courant.
Le courant final croı̂t très vite avec la tension d’alimentation (I ∝ V n avec n un peu inférieur
au nombre de dynodes). On utilisera en général le PM ”Universel” 2013B sensible dans tout le
visible. Il possède 10 dynodes. Voir sa notice.
Le culot du PM comporte 2 bornes de sortie BNC : l’une est à connecter au pôle négatif
de l’alimentation HT, l’autre est à brancher sur l’appareil de mesure9 . Le PM se comportant
comme un générateur de courant, on peut placer un microampèremètre sur sa sortie de mesure,
mais il est préférable de mettre une résistance de mesure R ∼ 10 kΩ) et de recueillir la tension
à ses bornes (schéma ci-dessous).
a)
Précautions d’emploi
– Régler d’abord la haute tension au minimum (∼ 500V) et l’augmenter progressivement en surveillant l’intensité.
– Le courant maximum toléré est 100 µA et la haute tension maximum 1800 V10 .
9
10
Les connecteurs sont tels qu’il est impossible de se tromper.
Valeurs indiquées sur le tube.
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2)
Comparaison de la sensibilité du PM et de la photodiode
Vérifier qu’il n’y a aucun filtre dans le PM. Placer dans le porte-filtre prévu pour le PM (il
élimine tout flux parasite) des filtres gris en verre de densités suffisantes (3+2 devrait convenir).
Éclairer avec le laser. Alimenter le PM sous une tension moyenne (∼ 1000V). Mesurer le courant
de sortie. Calculer, en tenant compte de l’absorption des filtres, la sensibilité en A/W du PM
pour cette tension. Comparer à celle de la photodiode.
3)
Influence de la tension d’alimentation sur la sensibilité (facultatif )
Accroı̂tre légèrement la tension d’alimentation du PM (de par exemple 10%) et vérifier que
le signal de sortie subit une augmentation relative très supérieure. Conclure sur la nécessité
d’avoir une tension d’alimentation très stable.
n
Facultatif : il est possible de vérifier que la sensibilité du PM obéit à la loi : s = kValim
où
11
n est un nombre un peu inférieur au nombre de dynodes .
V)
1)
Cellules photovoltaı̈ques
Généralités
Les cellules photovoltaı̈ques permettent de convertir l’énergie du rayonnement solaire en
énergie électrique. Elles se présentent sous la forme de plaques sombres, équipées de bornes
pour brancher des charges (accumulateur ou charge utile en utilisation directe). Il existe différentes technologies de cellules photovoltaı̈ques, nous allons uniquement nous intéresser aux
technologies silicium, qui constituent la grande majorité des cellules commerciales.
Les cellules photovoltaı̈ques au silicium sont fabriquées à partir d’une jonction PN au silicium, sur le même principe que la photodiode. La différence entre ces deux objets est technologique : les photodiodes sont optimisées pour avoir le plus fort courant inverse sous éclairement,
dans un domaine spectral donnée, afin d’être utilisées comme capteur. Les cellules photovoltaı̈ques sont optimisées pour fournir la puissance maximale pour un éclairement énergétique
dont la distribution spectrale est celle du rayonnement solaire. Deux paramètres importants
d’une photopile sont le courant de court-circuit Icc et la tension en circuit ouvert Vco , ces deux
paramètres dépendant de l’éclairement incident.
2)
Jonction PN au silicium
Dans une section précédente, nous avons étudié la jonction PN en convention récepteur,
comme capteur de flux lumineux (voir figure, cas a)). On remarque que pour un éclairement
non nul, il existe une région de la caractéristique de la jonction où la puissance reçue est
négative. C’est ce domaine qui va être exploité dans les cellules photovoltaı̈ques.
Désormais, nous considérons la jonction en convention générateur, soumise à un éclairement
E donné. On obtient alors la caractéristique de la figure ci-après, cas b).
11
Cet écart entre n et le nombre de dynodes a deux causes : relation non linéaire entre émission secondaire
et tension, et efficacité de collection des électrons d’une dynode à l’autre dépendant de la tension.
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a) convention récepteur
Ir
b) convention générateur
Ig
Vr
Vg
Ig
Ir
Vr
Vg
P<0
Au niveau microscopique, la génération du courant provient de l’absorption d’un photon
aboutissant à la création d’une pair électron-trou au niveau de la jonction, schématisée dans la
figure suivante. L’énergie du photon est absorbée et transférée à un électron excité de la bande
de valence vers la bande de conduction. Cet électron relaxe très rapidement vers le minimum de
la bande de conduction, cédant son énergie cinétique hν −Eg au cristal sous forme de chaleur, où
Eg est la largeur de la bande interdite (”gap”). Sous l’action du champ électrique régnant dans
la jonction, il est collecté par une électrode. Symétriquement, le trou associé relaxe également
dans la bande de valence et est collecté par une deuxième électrode. Il apparaı̂t ainsi aux bornes
du dispositif une tension en circuit-ouvert de l’ordre de Eg /q, et en pratique Vco ≈ Eg /2q, où q
est la charge de l’électron. Le courant de court-circuit correspond au flux d’électron photocrées ;
il correspond donc au flux de photons absorbés multiplié par q et par le rendement quantique.
Une faible valeur de Eg permet l’absorption de la plupart des photons du spectre solaire
(et donc un courant important). Une grande valeur de Eg permet d’obtenir une tension élevée.
Un compromis entre les deux permet d’optimiser la puissance, en pratique pour des gaps de
l’ordre de 1 à 2 eV. Le silicium avec un gap de 1.1 eV est bien adapté, et possède également de
nombreux avantages au niveau industriel (légèreté et faible coût, maı̂trise des techniques de la
microélectronique).
3)
Associations série ou parallèle
La tension en circuit ouvert est liée au gap du matériau utilisé (Vco ≈ 0.6V pour le silicium).
Afin d’augmenter la tension délivrée, à charge donnée, on associera plusieurs cellules (”une
cellule = une jonction”) en série. Ainsi, la tension en circuit ouvert de N jonctions en série,
éclairées identiquement, est alors VN,co = N Vco , où Vco est la tension en circuit ouvert d’une
cellule unique.
De manière similaire, si à éclairement donné, la charge nécessite un courant plus élevé que
celui d’une cellule unique, on les associera en parallèle.
Au final, le nombre d’association en série ou en parallèle sera adapté suivant la charge à
alimenter.
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électrode métallique
grille métallique
Silicium dopé n
Silicium dopé p
Bande de conduction
-
-
- - - - - - EF
+++ ++++
Silicium dopé p
4)
+
+
Bande de valence
Silicium dopé n
Mesure des caractéristiques de cellules photovoltaı̈ques
Outre le courant de court-circuit et la tension en circuit ouvert, on se proposer de tracer
la caractéristique complète de plusieurs cellules photovoltaı̈ques. Pour cela, nous disposons de
trois type de cellules photovoltaı̈ques différentes :
– cellules en silicium amorphe ;
– cellules en silicium polycristalin ;
– cellules en silicium monocristallin.
QI
d ~20 à 30 cm
Cellule photovoltaïque
à étudier
sans condenseur
pile de Moll
Afin d’avoir un éclairement le plus homogène possible, placer la cellule à étudier à environ
une trentaine de centimètres d’une quartz-iode sans condenseur. Placer également à côté (à la
même distance du filament) une pile de Moll permettant de mesure le flux surface incident.
Réaliser le montage électrique suivant
On pourra éventuellement remplacer l’ensemble ampèremètre+voltmètre par un wattmètre.
Comme charge, on prendra une résistance variable allant de 1 Ohms à 1 kOhms (boı̂te à
décades).
Pour chaque type de cellule, mesurer la tension et le courant délivré pour plusieurs valeurs
de résistance de charge, et reconstruire la caractéristique.
24 juillet 2015 Préparation à l’agrégation Ens–Montrouge
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12
I
A
cellule
photovoltaïque
5)
V
V
R
Rendement maximum
Tracer également la puissance utile en fonction de la charge. A l’aide de la pile de Moll,
calculer le flux lumineux surfacique incident, et en déduire le rendement (en mesurant précautionneusement la surface des cellules utilisées) pour chaque type de cellules. Quelle hiérarchie
de rendement suivant le type de cellule observe-t-on ?
Une des sources de pertes dans les cellules photovoltaı̈ques sont les recombinaisons de porteurs. Ces dernières sont particulièrement importante au niveau des défauts (de surface et de
volume) et des impuretés du matériau utilisé. A la lumière de cela, commenter le résultat
précédent.
6)
Estimation du nombre de cellules
Pour une jonction PN, on a le lien
entre le courant et la tension (en convention récepteur)
eVp
suivant : Ip = Icc (E) + Is e kB T − 1 , où Icc (E) est le courant parcouru par la cellule courtcircuitée, pour un éclairement
surfacique
E donné. Dans le cas de N cellules en série, on obtient
eV
alors I = Icc (E) + Is e N kB T − 1 , où V et I sont les tension et courant mesurés.
En procédant à un ajustement des caractéristiques tracées précédemment, estimer le nombre
de cellules branchées en série pour chaque type considéré. Vérifier que cela est cohérent avec
l’estimation que l’on peut faire à partir de la tension en circuit ouvert (nombre de cellules en
série = Vco /0.6V pour le silicium).
On pourra également associer en série ou parallèle deux cellules de même type, et tracer les
caractéristiques correspondantes.
VI)
Dispositifs de type CCD cf. BUP 762 p. 471
Ces dispositifs permettent de visualiser les variations spatiales d’éclairement. Grâce à un
système de balayage qui lit les différents détecteurs élémentaires (photodiode associée à une
capacité, CMOS. . .) les uns après les autres, les variations spatiales de l’éclairement sont transformées en variations temporelles de la tension de sortie.
On pourra visualiser la diffraction d’un laser par une fente grâce à la caméra CCD Mightex
et ajuster le signal observé par un sinus cardinal carré. On pourra mettre un filtre de densité
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devant la caméra si le capteur sature ; comme les filtres de densité ne sont pas très propres, cela
ajoute du bruit au signal.
Remarques :
– ces détecteurs ayant un maximum de sensibilité dans l’infrarouge, ajouter un filtre antithermique si la source est une lampe à incandescence ;
– pour adapter la luminosité à la sensibilité de la caméra, interposer deux polariseurs plus
ou moins croisés.
VII)
1)
Annexe
Temps de réponse de la photodiode
La photodiode est un composant rapide, ce qui impose l’emploi d’une source lumineuse
rapide pour tester son temps de réponse. Dans cette expérience quantitative, on ne pourra
qu’établir une limite supérieure sur le temps de réponse. Une diode électroluminescente à forte
luminosité convient à cette expérience.
Choisir impérativement une DEL rouge de haute luminosité.
La figure de gauche indique comment alimenter la diode électroluminescente (DEL) :
– elle n’aime pas les tensions négatives : utiliser des signaux carrés avec décalage,
– elle supporte des courants de 50 mA au maximum et la tension à ses bornes lorsqu’elle
éclaire vaut approximativement 2 V (pourquoi ?). Donc pour contrôler le courant qui la
traverse il faut choisir Vmax ≫ 2 V et prendre RDEL en conséquence (on réalise ainsi un
générateur de courant).
Enfin vérifier que le temps de montée des signaux carrés donnés par le générateur BF ne
dépasse pas 0,1 µs, sinon prendre un autre BF.
a)
Mise en œuvre
La démarche proposée consiste à montrer que dans les conditions usuelles, le temps de
réponse à un échelon d’éclairement n’est pas imposé par la photodiode mais par le circuit
électrique qui lui est associé. On montre aussi que ce n’est pas la DEL qui limite la rapidité.
Il n’est pas question de faire ici une étude quantitative poussée : le signal obtenu n’est qu’approximativement exponentiel. Cependant pour évaluer simplement la rapidité on mesurera12 le
temps caractéristique τ tel que l’écart à la valeur asymptotique soit divisé par e ≈ 3.
Commencer avec RPhd = 100 kΩ. Choisir une période du signal BF suffisamment grande
pour que les asymptotes soient atteintes. Ajuster la distance DEL-photodiode pour éviter la
saturation. Déterminer τ .
12
Ne pas utiliser la méthode de la tangente qui est très sensible aux écarts à la loi exponentielle.
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Sans changer l’alimentation de la DEL, passer à RPhd = 10 kΩ. Ajuster à nouveau la période
et la distance.
b)
Conclusion
– Ce n’est pas l’éclairage qui limite la rapidité quand RPhd = 100 kΩ.
– Ce n’est pas le composant photodiode qui limite la rapidité quand RPhd = 100 kΩ.
c)
Exploitation quantitative
On se donne le modèle linéaire suivant pour le circuit13 :
avec CPhD ≃ 20pF pour la BPW34, Coscillo ≃ 25pF et surtout dCcable /dL = 100pF/m.
Faire un schéma électrique équivalent (avec un générateur de tension), en déduire qu’on
attend :
τ
= Cste avec Cste = CPhD + Ccable + Coscillo ≃ Ccable .
(RPhD //Roscillo )
On vérifiera que ce modèle concorde avec les mesures pour RPhd = 100 kΩ et 10 kΩ.
Passer à RPhD = 1 kΩ (il faut alors accoller DEL et photodiode). Il se peut que le modèle
ne convienne plus : τ /RPhD ≫ Ccable . Mais attention, on ne peut pas savoir si c’est à cause du
circuit d’éclairage ou du modèle de photodiode.
Pour des valeurs plus faibles de RPhD le signal est probablement très bruité.
Le modèle s’avère donc valable pour des temps caractéristiques de l’ordre de la microseconde.
d)
Suggestions
– Pour avoir un point de mesure en plus, on peut supprimer la résistance RPhD .
– En utilisant un adaptateur BNC-BNC, accroı̂tre la longueur du câble coaxial de liaison
avec l’oscilloscope.
13
Pour la modélisation de la photodiode par un générateur de courant voir II.2.b. On ajoute le condensateur
”PhD” pour traduire le comportement de la photodiode à haute fréquence.
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